Surfer sur la vague cosmique : l’instabilité du plasma révolutionne notre vision de l’Univers

Patrick Lesggie

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Les scientifiques ont découvert une nouvelle instabilité du plasma, révolutionnant notre compréhension des rayons cosmiques. Cette percée révèle que les rayons cosmiques génèrent des ondes électromagnétiques dans le plasma, influençant leurs trajectoires. Ce comportement collectif des rayons cosmiques, similaire aux ondes formées par les molécules d’eau, remet en question les théories précédentes et promet des informations sur le transport des rayons cosmiques dans les galaxies et leur rôle dans l’évolution galactique.

Des scientifiques de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) ont découvert une nouvelle instabilité du plasma qui promet de révolutionner notre compréhension de l’origine des rayons cosmiques et de leur impact dynamique sur les galaxies.

Au début du siècle dernier, Victor Hess a découvert un phénomène nouveau appelé rayons cosmiques qui lui a ensuite valu le prix Nobel. Il a effectué des vols en ballon à haute altitude pour constater que l’atmosphère terrestre n’était pas ionisée par la radioactivité du sol. Au lieu de cela, il a confirmé que l’origine de l’ionisation était extraterrestre. Par la suite, il a été déterminé que les « rayons » cosmiques sont en réalité des particules chargées de l’espace volant à proximité de la vitesse de la lumière plutôt que de la radiation. Cependant, le nom de « rayons cosmiques » a survécu à ces découvertes.

Dernières avancées dans la recherche sur les rayons cosmiques

Dans la nouvelle étude, le Dr Mohamad Shalaby, scientifique à l’AIP et principal auteur de cette étude, et ses collaborateurs ont effectué des simulations numériques pour suivre les trajectoires de nombreuses particules de rayons cosmiques et étudier comment ces dernières interagissent avec le plasma environnant composé d’électrons et de protons.

Simulation of Cosmic Rays Counter-Streaming Against a Background Plasma and Exciting a Plasma Instability.

Simulation des rayons cosmiques contre courant contre un plasma de fond et excitation d’une instabilité du plasma. La distribution des particules de fond répondant aux rayons cosmiques en phase, qui est formé par la position des particules (axe horizontal) et la vitesse (axe vertical). Les couleurs visualisent la densité numérique et les trous dans l’espace des phases sont des manifestations de la nature hautement dynamique de l’instabilité qui dissipe des mouvements ordonnés en mouvements aléatoires. Crédit : Shalaby/AIP

Lorsque les chercheurs ont étudié les rayons cosmiques volant d’un côté de la simulation à l’autre, ils ont découvert un nouveau phénomène qui excite des ondes électromagnétiques dans le plasma de fond. Ces ondes exercent une force sur les rayons cosmiques, ce qui modifie leurs trajectoires en spirale.

Comprendre les rayons cosmiques en tant que phénomènes collectifs

Surtout, ce nouveau phénomène peut être mieux compris si l’on considère les rayons cosmiques non pas comme des particules individuelles mais comme soutenant une onde électromagnétique collective. Lorsque cette onde interagit avec les ondes fondamentales en arrière-plan, ces dernières sont fortement amplifiées et un transfert d’énergie a lieu.

« Cette perception nous permet de considérer les rayons cosmiques comme se comportant comme une radiation et non comme des particules individuelles dans ce contexte, tout comme cela avait été initialement cru par Victor Hess », remarque le professeur Christoph Pfrommer, chef de la section de cosmologie et d’astrophysique de haute énergie à l’AIP.

Distribution of Momenta of Protons and Electrons

Distribution des moments de protons (lignes en pointillé) et d’électrons (lignes pleines). On observe l’apparition de la queue haute énergie des électrons à un choc se déplaçant plus lentement. C’est le résultat d’interactions avec les ondes électromagnétiques exercées par la nouvelle instabilité du plasma découverte (en rouge), absentes pour un choc plus rapide (en noir). Parce que seuls les électrons de haute énergie produisent une émission radio observable, il s’agit d’une démonstration de l’importance de comprendre la physique du processus d’accélération. Crédit : Shalaby/AIP

Un bon exemple de ce comportement est celui des molécules d’eau individuelles formant collectivement une vague qui se brise sur le rivage. « Cette avancée n’est possible qu’en considérant des échelles plus petites qui ont été précédemment négligées et qui remettent en question l’utilisation de théories hydrodynamiques efficaces lors de l’étude des processus plasmatiques », explique le Dr Mohamad Shalaby.

Implications et applications

Il existe de nombreuses applications de cette instabilité du plasma nouvellement découverte, y compris une première explication de la manière dont les électrons du plasma interstellaire thermique peuvent être accélérés à des énergies élevées au niveau des rémanents de supernova.

« Cette nouvelle instabilité du plasma représente un saut significatif dans notre compréhension du processus d’accélération et explique enfin pourquoi ces rémanents de supernova émettent des ondes radio et gamma », rapporte Mohamad Shalaby.

De plus, cette découverte révolutionnaire ouvre la voie à une compréhension plus profonde des processus fondamentaux de transport des rayons cosmiques dans les galaxies, ce qui représente le plus grand mystère de notre compréhension des processus qui façonnent les galaxies au cours de leur évolution cosmique.

Références :

« Deciphering the physical basis of the intermediate-scale instability » par Mohamad Shalaby, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, Rouven Lemmerz et Virginia Bresci, 12 décembre 2023, Journal de physique des plasmas.
DOI : 10.1017/S0022377823001289

« The mechanism of efficient electron acceleration at parallel non-relativistic shocks » par Mohamad Shalaby, Rouven Lemmerz, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, 4 mai 2022, Astrophysique > Phénomènes astrophysiques de haute énergie.
arXiv : 2202.05288

« A New Cosmic-Ray-driven Instability » par Mohamad Shalaby, Timon Thomas et Christoph Pfrommer, 24 février 2021, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/abd02d